室温超导又被突破了？

来自韩国的物理学家团队，近日在预印本网站arXiv上传了两篇论文，宣称发现了首个室温常压下的超导体。

论文声称：在常压条件下，一种改性的铅磷灰石（文中称为LK-99）能够在127℃以下表现为超导体。

论文一经公布，便在网络上引发了热烈讨论。

arXiv上的论文截图 | 参考资料^[1]

看到这条新闻的你，一定会产生这样的疑问：怎么又是室温超导？怎么又吵翻天了？以及，为什么有种似曾相识的感觉？

太长不看版：

• 超导是材料在一定温度下电阻变为0的物理现象；

• 超导体的应用有望为科技带来巨大变革，但苦于超导转变温度过低，应用受限；

• 室温条件下的超导体是超导研究人员的终极梦想；

• 此次引爆舆论的韩国论文尚未通过同行评议，对于论文宣称的结果需保持谨慎，还需进一步实验验证。

超导是什么？

物理上，超导（superconductivity）是材料在低于一定温度时电阻变为0的现象，转变后的材料称为超导体（superconductor）。

中学课本里提到过，在一个电路中，导线里的电荷在电压驱动下会像跑步运动员一样运动，从而形成电流，但经过导体的电阻会阻碍它们的运动。

如果电路由超导体组成，电荷就能在电路中自由自在地奔跑，电流会一直流动下去。在一个超导铅制成的环路中，可以连续几个月都观测不到电流有减弱的迹象。

超导现象由昂内斯在1911年发现 | 诺贝尔奖官网

除了电阻为0以外，超导体还有另一个奇特的性质，称为完全抗磁性。材料转变成超导体后，就好像武僧穿上了金钟罩，体内的磁场会全部排斥在外。

这个现象也被称为迈斯纳效应。

根据超导体的完全抗磁性，可以做个有趣的实验：在超导体的正下方放置一个磁体，磁体在周围产生磁场，而超导体的内部不允许磁场存在，从而产生相反磁场，与磁体互相排斥。

如果排斥力和超导体的重力相平衡，就能让超导体悬浮在半空中，仿佛科幻小说中的场景。

具有完全抗磁性的超导体在磁体上方悬浮 | Britannica

后来物理学家总结，要看一个材料是不是超导体，就看它是否同时具有零电阻现象和完全抗磁性的特征，两者缺一不可。

因为自身特殊的性质，超导体引发了人们对它未来应用的无限遐想。比如：

• 零电阻的电路几乎没有热损耗，使用超导体材料进行长距离大容量输电，能极大地减少能量浪费，提高能源利用效率；

• 超导线运用于发电机、电动机能大幅提高电流强度和输出功率；

• 超导体制作超大规模集成电路的连线，能解决散热问题，提高运算速度；

超导体的现实应用，有可能为科学技术带来巨大而深刻的变革。

超导体进行长距离大容量输电，能极大地减少能量浪费 | instituteforenergyresearch.org

可惜，理想很丰满，现实很骨感。直到目前为止，超导体的实际应用还主要集中在粒子加速器、磁悬浮、超导量子干涉仪等特定情境中。在电力工程方面，尤其是被寄予厚望的超导线长距离输电，大范围应用仍然遥遥无期。

是什么限制了超导体的大范围应用？根本原因只有一个：温度。

高温超导体

材料转变为超导体的温度被称为超导临界温度（T_c），低于这个T_c，超导体才能保持自身的超导性质。

然而，绝大多数材料的T_c都非常低，基本都在-220℃以下，需要借助液氮或液氦等维持低温环境。

想象一下，辛辛苦苦建造一条几百公里的超导输电线，还需要全程浸泡在液氮中冷却，成本得多么夸张！

所以为了让超导体得到更广泛的应用，必须要找到T_c更高、最好是室温条件下（大约25℃）也能保持超导性质的材料。

从发现超导现象开始，物理学家对高T_c超导体的寻找从未停止，但一直举步维艰。

在发现超导最开始的70多年内，T_c的上限连突破-240℃都很困难。还好后来物理学家陆续发现T_c超过-173℃的超导体，目前超导体最高临界温度的记录保持者是150万个大气压下的硫化氢，T_c大约是-73℃，离理想的室温还是有一定距离，如此高压的条件也意味着难以实际应用。

韩国的“室温超导”

看到这，如果你还记得开头的内容的话，就发现这个韩国团队发表的论文有多么惊世骇俗了——他们宣称发现了常压下T_c大约是127℃的超导体，不仅把T_c带到室温，更是一下子直接提高了200度！

根据论文描述，他们把多种含铅、铜和磷的材料经过一定组合后分别混合加热，制备得到一种掺杂铜的铅-磷灰石晶体，并且称之为LK-99。

论文提供的LK-99的照片 | 参考资料^[1]

然后，他们测量了LK-99的物理性质。

根据他们给出的实验结果，在127℃以下，给LK-99施加电流，在一定的电流范围内电压都基本为零，表现出了零电阻的特性。

论文宣称，温度、电流和磁场达到一定临界值后，零电阻现象也随之消失，符合超导体的性质。

在达到临界电流前，LK-99的电压趋于零，表现出零电阻 | 参考资料^[1]

除了零电阻以外，超导体的另外一个重要特性是完全抗磁性。

对此，团队提供了实验数据图，还在网上发表了视频演示。视频中，在室温常压的环境下，一小片LK-99样品放在一块磁铁上，一端贴近磁铁，另一端自发抬升，仿佛受到了某种排斥力。

论文团队提供的视频，以演示样品的抗磁性 | 参考资料[1]

不过，视频里的抬升并不像很多超导体的迈斯纳效应那样，完全悬浮在磁铁上。事实上，部分强抗磁性的材料，比如铁磁粉末压块，在强磁场下也会和磁体排斥，出现视频中类似的抬升效果。

因此，单凭这段视频，并不能证明LK-99拥有超导体那样的完全抗磁性。

但论文团队认为，他们的一系列实验验证了LK-99在室温常压下是超导体。

他们还作出了理论解释，认为铅磷灰石的部分铅离子被铜离子替代后，体积微小的收缩导致材料结构变形，进而在内部的交界面上产生了超导量子阱，从而产生了超导现象。

论文尝试从结构上解释LK-99室温超导的原理 | 参考资料^[2]

不过，LK-99的结构与之前发现的主流高温超导体有显著不同，他们给出的理论解释暂时还只是一种猜测。

狼来了的故事

你会对室温超导有“似曾相识”的感觉，可能是因为就在今年3月，曾经有另一个和室温超导相关的“重磅炸弹”，在公众之中掀起了不小的波澜。

当时，在美国物理学会会议上，美国罗切斯特大学的物理学家兰加·迪亚斯（Ranga Dias）及其团队宣称，他们在1GPa（约等于1万个大气压）的压强下，在镥-氮-氢体系中材料中实现了室温（约21℃）超导。

罗切斯特大学的兰加·迪亚斯 | 罗切斯特大学

然而，在迪亚斯发布研究仅仅一周后，多个实验团队就发表论文声明，在针对镥化氢化合物的重复实验中没有发现超导现象。

尽管迪亚斯坚持声称自己的实验结果真实可信，但他在《自然》和《物理评论快报》（Physics Review Letters）上发表的文章接连因造假嫌疑被撤稿，他提出的室温超导材料也被认为证据不足而受到了广泛质疑。

镥-氢-氮材料的电阻随温度的变化曲线，温度低至2K都没有发现超导转变 | 参考文献^[3]

与今年3月迪亚斯的“发现”相比，这次韩国团队论文中的常压下127℃的超导还要更加令人震惊。那么，韩国团队的“实验结果”，会不会和迪亚斯宣称发现室温超导一样，最后变成争议不断的学术闹剧呢？

值得一提的是，上次迪亚斯的论文一开始是发表在《自然》上，虽然当时还没有实验复现，但至少经过了一定的同行评议；而这次韩国团队的论文发表在预印本网站arXiv上，完全没有同行评议的过程。

arXiv发布论文的门槛很低，通常是研究人员在自己论文正式发表之前，先在arXiv上传预稿证明原创性，论文往往是鱼龙混杂，质量难以得到保证。

其实不仅是迪亚斯，几乎每年都有团队声称发现了室温超导的材料，可至今没有一个得到严谨的实验证明。

2016年发表在arXiv的论文声称发现转变温度在373K的室温超导体 | 参考资料^[4]

比如说，arXiv上至今还能搜到2016年上传的一篇论文，声称发现了超导转变温度在373K（也就是100℃）左右的化合物，也同样有多个实验数据图和迈斯纳效应的效果图，与此次韩国团队的论文如出一辙。

只不过，那篇论文没有公布化合物的成分，实验过程也不严谨，在磁体上的悬浮还被质疑真实性，最后没有通过同行评议正式发表，也就再没有引起更多的关注。

2016年的这篇论文中，同样出现了类似迈斯纳效应的实验图，然而无法证明其真实性 | 参考资料^[4]

相比之下，这次韩国团队不仅公布了他们使用的材料，还在论文中介绍了详细的材料制备方法，而且材料成分比较简单和明确。想要制备出相同的材料，拿来检验韩国团队的实验结果，难度并不大。

事实上，已经有团队在着手制备材料了，相信很快就会有科研团队提供相同条件下的实验结果，验证韩国团队的结果是否正确。

论文提供了LK-99的详细制备过程 | 参考资料^[1]

LK-99材料究竟是划时代的发现，还是又一场学术乌龙，可能在未来的几天内就会揭晓。

作为围观群众，我们应该做的就是静静等待，让子弹再飞一会。

参考文献：

[1] https://arxiv.org/abs/2307.12008

[2] https://arxiv.org/abs/2307.12037

[3] Ming X， Zhang Y J， Zhu X， et al. Absence of near-ambient superconductivity in LuH2±xNy[J]. Nature， 2023: 1-3.

[4] https://arxiv.org/abs/1603.01482

本文来自微信公众号：果壳 （ID：Guokr42），作者：中子星，编辑：Steed